突出工科院校學科交叉微生物學實踐教學改革研究

謝 暉, 應瓊瓊, 曾 琦, 陳 丹, 沈曉敏, 梁繼民

(1. 西安電子科技大學 生命科學技術實驗教學示范中心， 西安 710126; 2. 西安電子科技大學 生命科學技術學院， 西安 710126; 3. 西安交通大學 附屬中學， 西安 710126 )

隨著學科交叉和生命科學產業日益增長的需求，國內大量重點工科院校開設了生命科學學院及相關生命科學領域本科專業，微生物學作為生物類專業核心課程，微生物學實驗課的重要性不言而喻[1]。筆者依據2017年最新的高考志愿填報數據庫公開信息統計( http://gkcx.eol.cn/soudaxue/querySchoolSpecialty.html &argspecialtyname)，全國現有的2914所全日制本科高校(含民辦、高職院校)中，其中開設微生物學課程相關的生命科學專業的高校數量居多，涵蓋面廣，涉及工科院校比例較大，具體見表1。在上述數據庫統計的基礎上，筆者通過網絡信息(高校主頁學院信息專業課程設置查詢)、省外高校電話及網絡平臺溝通，省內及周邊工科高校實地調研等方式進行了大數據信息采集不完全統計，目前開設微生物學實驗課程的工科院校已覆蓋生物工程、生物醫學工程、生物科學、生物技術、生物信息學及生物科學與生物技術多個專業領域，工科院校微生物實驗開設總數高達463門。由此可見微生物學及實驗課程在現今工科院校本科教學培養中所占的重要地位。微生物實驗教學在學生“知識、能力、素質”的培養方面具有更加形象和實用性的重要作用，是鍛煉學生思維能力、操作能力與運用能力的一個重要途徑，也是培養實操動手為主的工科院校學生創新能力的一個重要手段[2-3]。

表1生物類相關專業開設院校及微生物學實驗開設情況匯總

傳統的微生物學實驗教學存在許多不足：1)實驗內容單一，不能引起學生對實驗課程的重視，“照貓畫虎”，人到心不到; 2)沒有真正地突出實驗教學在未來科研及生產實踐中的應用作用，無法激發學生內心的學習鉆研興趣[4]；3)與工科院校生物類專業學生學習脫節。由于該類學生具有一定的計算機網絡基礎知識，在單純微生物學實驗中無法發掘出課程間的聯系，關聯性不大，直接導致學生實驗課程的學習效率低下，重視程度不足等問題的出現。微生物學實驗綜合實驗是西安電子科技大學生命科學技術學院生物技術、生物醫學工程本科專業(均授予工學學士學位)的必修課程，該綜合實驗成績占整個實驗課程總成績的60%，總計24學時，其涉及面寬，影響面大。想要更好地培養大學科交叉下的生命科學人才，真正做到核心課程和培養方案的百分百吻合。對工科院校學生的微生物實驗教學應具備明顯的實用性及學科交叉的工科特色，以便更好地適應學院人才培養和當今社會企業的迫切需求[5]。多年來，筆者借鑒兄弟院校工科課程的教學經驗，以土壤微生物系統進化綜合大實驗為例對微生物實驗教學進行了改革。

1 改革實驗教學內容，凸顯現代化學科交叉特性

土壤微生物系統進化綜合大實驗是在早期的土壤(環境)微生物分離觀察綜合實驗基礎上加以改進實施的。主要在原微生物分離培養及無菌操作的基礎上增加了分子生物學、生物信息學、計算生物學、數據庫信息挖掘等知識內容(表2)。較之前的單純土壤微生物分離觀察，整個綜合實驗體現了較強的多維度性和學科交叉性，所有知識均涵蓋學生必修主干核心課程，對學生今后從事生命科學研究、電子信息技術跨學科應用、生物軟件研發等相關工作打下堅實的應用基礎。實驗難度的提升和內容的豐富也使得學生對待實驗課程的態度和興趣有了極大的提升(實驗內容過程結果見圖 1)。

圖 1 學科交叉綜合實驗結果流程圖

項 目原綜合實驗改革綜合實驗內容微生物分離、培養、觀察微生物分離培養、基因組提取、保守區段擴增、測序、算法編程、數據庫使用、進化分析涉及學科微生物學微生物學、分子生物學、生物化學、生物信息學、計算生物學、數據庫信息挖掘優勢簡單明了,學時數較短整合工科生綜合知識,突出工科微生物綜合實驗特色劣勢相對單一無特色、學生興趣不高,學習效果一般復雜困難、實驗成本較高、學時數較長,對任課教師專業水平要求較高意義扎實微生物基礎、便于理解更有利于培養學生的動手能力、創新能力以及綜合能力,其教學效果大大提高

2 改革實驗教學理念， 充分發揮學生主觀能動性

2.1 自主設計方案

主要采用“自主實驗方案設計”的形式，引導學生形成微生物實驗能力。此形式將有助于全面促進學生自主實驗能力的發展和形成。自主設計過程是一個以學生為主體的綜合實驗準備階段，一方面鍛煉高年級學生利用大學期間所學知識的綜合性獲取綜合運用新知識的能力；另一方面利于學生從綜合實驗方案設計過程中發現問題，分析問題，解決問題[6-7]。

2.2 方案設計流程原則

以“土壤微生物系統進化綜合大實驗”為例，教師可提前把實驗內容布置給學生，要求學生自行設計實驗方案，分析實驗過程關鍵因素和環節，整個設計過程計入實驗課程考核中，以此增加學生積極性和主動性。為完成方案的設計，教師應輔助學生經歷3個重要階段(圖2)，以保證方案設計科學縝密。通過筆者多年實驗教學觀察，多數學生都具備良好的自學、分析和解決問題能力，但是仍然需要教師進行正確和恰當的引導，使得這些習慣逐步轉變為一種能力，從而極大地提高工科學生的微生物學實驗綜合能力[8-9]。現以我們凝練總結的“微生物實驗自主設計教師控制核心流程及原則”(圖2)為準則舉例說明。圖3所示，學生具體拿到選題之后以學生為主，教師輔助完成的整個實驗方案設計，在保證學生自主性的基礎上，進一步強化了學生準備過程中信息挖掘的深度、學習知識的廣度，以及后續實驗方案的可行性。

圖2 微生物實驗自主設計教師控制核心流程及原則

圖3 微生物實驗自主設計教師控制核心流程實例

3 改革實驗教學考核機制，突出綜合能力評定

結合第二部分內容，增加學生在自主設計實驗方案之后的開題答辯環節，綜合實驗完成之后的結題答辯環節，開題報告和結題報告均要求以標準科研論文形式撰寫，綜合實驗實行課題組/項目組長負責制[9]，負責整個實驗的進行。同時結合筆者多年實驗教學總結的“四原則”(技能、表現、報告、結果) 全面給出實驗綜合評定，以便真實公正地反映學生在整個實驗環節中的各項表現[10]。

微生物綜合實驗課程的考核，尤其是創新性學科交叉綜合性實驗考核，目的是讓工科學生能夠以微生物學實驗為主[11]，結合現代化前沿需求合理整合所學其他核心主干課程的實驗技能，其設計的實驗方案、參與實驗的“四原則”(上述)、綜合實驗技能的運用(總成績15%)，最終取得的實驗結果(總成績20%)，開題報告(總成績15%)，結題論文報告(總成績25%)，答辯過程和答辯PPT的撰寫質量(總成績25%)等多方面量化考核。真正做到重過程、輕結果，重思維、輕流程，重內涵、輕表象。以便全面激發工科學生的微生物綜合實驗興趣，提高學生學科交叉實驗能力水平。

4 微生物綜合實驗課程改革的效果及總結

4.1 改革成效

“土壤微生物系統進化綜合大實驗”自2013年起，由筆者發起改革，目前已經過四屆本科生的實踐，先后獲得西安電子科技大學新實驗一等獎、優秀教改創新項目等多項榮譽。但由于實驗難度及綜合性的提升，實驗課程不及格率一直存在，如何降低甚至消除不及格率也是綜合實驗后續進一步研究改革的問題之一(圖 4)。通過綜合實驗的實施，參與學生普遍認為：1)改革后的微生物學綜合實驗，使他們更加重視實驗技能訓練，注重提升發現、分析、解決問題的能力，同時也感到一定的成績壓力;2)微生物綜合實驗的開設，提高了他們獨立思考問題、解決問題與創新思維的能力；3)分組實驗，實行項目組長負責制、答辯制、報告制、預約制，培養與提高了學生的團隊精神；4)綜合實驗涉及的多學科交叉內容，能夠讓學生更好地整合計算機、生物信息學、分子生物學等各學科核心專業知識技能，尤其突出了程序設計、軟件使用、網絡應用等工科專業的特色實驗內容。學生充分利用所學知識，由表及里探索微生物系統進化的本質問題，不再停留在相對單一的純微生物學綜合實驗階段中，進一步提升了學生學習興趣和重視程度，真正意義上做到了具備明顯的學科交叉工科特色、更好地適應工科學院人才培養和當今社會的迫切需求。我們對已實施該綜合實驗的四屆本科生進行了滿意度調查，匿名調查問卷結果顯示學生不滿意度及非常不滿意度均為0%，整體滿意度高達93%(圖 4)，多數學生表示經歷微生物學綜合大實驗后，認為自己經歷了類似專業科研訓練過程一樣的訓練，個人的知識運用能力及專業綜合水平得到了明顯提升。

圖4 2014—2017年度微生物綜合實驗成績統計結果及綜合實驗滿意度調查

4.2 總結展望

綜上，在后續的微生物學教學實踐過程中，依托學院的省級實驗教學示范中心及省級虛擬仿真實驗教學示范中心，實踐教學團隊將會進一步注重：1)以學院本科生導師制為契機，進一步鼓勵高年級學生進入并參與實驗準備及科研課題，直接為學生后續科研訓練、課程設計以及畢業設計奠定基礎; 2)進一步擴大實驗室開放力度，最大限度為學生提供更多的動手機會; 3)依據工科院校生物專業學生學科發展特點和方向，不斷更新特色的綜合實驗內容，進一步改革教學模式，把微生物學實驗室建成西安電子科技大學生命科學技術學院培養生命科學類工科創新人才的核心基地[8]。這樣不僅有利于提高微生物學實驗教師的實驗教學質量，更有利于培養工科院校學生的學科交叉綜合素質，此類型綜合實驗也可在后續適當調整優化，成為當前工科院校其他生物實踐教學課程的參考模式[10]。